摘要:太阳风是从太阳大气射出的高速等离子体流,其加速机制目前还未被完全得到解释。从流体力学及电磁场理论麦克斯韦方程组角度出发,研究太阳风速度变化的问题,突出研讨磁场对太阳风能量输入问题的重要性。首先,结合流体力学流体流动的动量方程提出等温日冕膨胀模型理论,用以验证宁静太阳风的加速机制;然后,分析太阳磁场变化对太阳风速度和能量输入情况的影响;最后,利用实际观测数据进行模拟,验证太阳风膨胀模型的可行性及太阳风磁场的变化。
关键词:
宁静太阳风;等温日冕膨胀模型;麦克斯韦方程组;太阳磁场
中图分类号:P353.8文献标识码:A文章编号:10053824(2013)06005205
0引言
在太阳的日冕层的高温(几百万开氏度)下,太阳大气全部电离成等离子体,这些带电粒子运动速度极快,以致不断有带电的粒子挣脱太阳的引力束缚,射向太阳的外围,形成太阳风。太阳风的速度一般在200~900 km/s[1]。太阳风有2种:一种持续不断地辐射出来,速度较小,粒子含量也较少,被称为“宁静太阳风”;另一种是在太阳活动时辐射出来,速度较大,粒子含量也较多,这种太阳风被称为“扰动太阳风”。
宁静太阳风是日冕气体克服重力并在磁场作用下的向外膨胀,它是持续不断的喷发,对行星际的磁场分布造成很重要的影响,在地球附近可以检测到太阳风等离子体的质子速度和地球近地磁场,研究磁场与太阳风速度的关系对太阳风的加速机制具有重要影响。Parker于1958年首先提出日冕膨胀会形成太阳风[2]。 在实际观测中发现太阳风到达地面的速度达到超声速,但这个模型的建立未考虑到太阳磁场对等离子体速度的作用。本文要解决的问题就是在建立等温日冕膨胀模型基础上引入太阳磁场的影响,进而对宁静太阳风速度进行研究分析。从流体力学[3]的动量方程出发进行太阳风模型的建立并对其分析,然后利用麦克斯韦方程组对行星际磁场分布建立模型并分析它与太阳风速度的关系。
1等温日冕膨胀宁静太阳风模型
日冕是太阳最外层大气,日冕温度很高,低温日冕已达到1.5×106 K,高温区可达到(2~3)×106 K[4],在这样的高温下,日冕气体可达到完全电离,然后从日冕层喷射出来形成太阳风。对于太阳风的观测和研究的数据主要利用近地卫星对太阳风质子速度、温度、磁场强度等因子进行检测,通过实际观测发现太阳风的速度为超声速。为解释太阳风的超声速,下面利用流体的动量方程进行模型的建立[4]。
太阳风是由等离子体构成的流体,它具有流体的特性,而太阳的外部环境为低真空,它在向外膨胀过程中存在压力差和离子的浓度差,这些将束缚太阳风的速度变化。假设日冕气体球对称地以径向速度v向外膨胀,电子和质子具有相同的运动速度且都为v,流体的动量方程为
参考文献:
[1]翁承嘉.快震波与alfven波对氢和氧的加速:太阳风中氢和氧离子流速差之形成[D].台湾台南市:国立成功大学,1995.
[2]PARKER E N.Dynamics of the interplanetary gas and magnetic field[EB/OL].[20130601].http://articles.adsabs.harvard.edu/full/1958ApJ...128..664P.
[3]何川.流体力学[M].北京:机械工业出版社,2010:5661.
[4]刘振兴.太空物理学[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2005:2550.
[5]贾瑞皋,薛庆忠.电磁学[M].北京:高等教育出版社,2010,318322.
[6]涂传诒.日地空间物理学(行星际与磁层):上册[M].北京:科学出版社,1988:1175
[7]郭硕鸿.电动力学[M].3版.北京:高等教育出版社,2008:74106
[8]SERGEEV V A, TSYGANENKO N A, ANGELOPOULOS V. Dynamical response of the magnetotail to changes of the solar wind direction: an MHD modeling perspective[J].Ann. Geophys,2008(26):23952402.
[9]PULKKINEN A, HESSE M, KUZNETSOVA M, et al. Firstprinciples modeling of geomagnetically induced electromagnetic fields and currents from upstream solar wind to the surface of the Earth[J].Ann. Geophys,2007(25):881893.
作者简介:
刘丽霞(1992),女,四川达州人,本科生,主要研究方向为太阳风仿真分析,Email:409552497@qq.com。